TCP Socket的一些行为

几个重要的结论：

1. read总是在接收缓冲区有数据时立即返回，而不是等到给定的read buffer填满时返回。

只有当receive buffer为空时，blocking模式才会等待，而nonblock模式下会立即返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

2. blocking的write只有在缓冲区足以放下整个buffer时才返回（与blocking read并不相同）

nonblock write则是返回能够放下的字节数，之后调用则返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

对于blocking的write有个特例：当write正阻塞等待时对面关闭了socket，则write则会立即将剩余缓冲区填满并返回所写的字节数，再次调用则write失败（connection reset by peer）。

socket分为阻塞模式和非阻塞模式。

	阻塞	非阻塞
read	接收缓冲区只要有数据就立即返回，只有当接收缓冲区为空时才阻塞等待	无论有无数据，都立即返回
write	只有发送缓冲区可以放下整个buffer时才返回，否则阻塞	无论发送缓冲区是否能放下整个buffer，都立即返回。返回能够放下的字节数

一. read/write的语义：为什么会阻塞？

先从write说起：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

首先，write成功返回，只是buf中的数据被复制到了kernel中的TCP发送缓冲区。至于数据什么时候被发往网络，什么时候被对方主机接收，什么时候被对方进程读取，系统调用层面不会给予任何保证和通知。

write在什么情况下会阻塞？当kernel的该socket的发送缓冲区已满时。对于每个socket，拥有自己的send buffer和receive buffer。从Linux 2.6开始，两个缓冲区大小都由系统来自动调节（autotuning），但一般在default和max之间浮动。

# 获取socket的发送/接受缓冲区的大小：（后面的值是在我在Linux 2.6.38 x86_64上测试的结果）

sysctl net.core.wmem_default       #126976
sysctl net.core.wmem_max　　　　    #131071
sysctl net.core.wmem_default       #126976
sysctl net.core.wmem_max           #131071

已经发送到网络的数据依然需要暂存在send buffer中，只有收到对方的ack后，kernel才从buffer中清除这一部分数据，为后续发送数据腾出空间。接收端将收到的数据暂存在receive buffer中，自动进行确认。但如果socket所在的进程不及时将数据从receive buffer中取出，最终导致receive buffer填满，由于TCP的滑动窗口和拥塞控制，接收端会阻止发送端向其发送数据。这些控制皆发生在TCP/IP栈中，对应用程序是透明的，应用程序继续发送数据，最终导致send buffer填满，write调用阻塞。

一般来说，由于接收端进程从socket读数据的速度跟不上发送端进程向socket写数据的速度，最终导致发送端write调用阻塞。

而read调用的行为相对容易理解，从socket的receive buffer中拷贝数据到应用程序的buffer中。read调用阻塞，通常是发送端的数据没有到达。

二. blocking（默认）和nonblock模式下read/write行为的区别：

将socket fd设置为nonblock（非阻塞）是在服务器编程中常见的做法，采用blocking IO并为每一个client创建一个线程的模式开销巨大且可扩展性不佳（带来大量的切换开销），更为通用的做法是采用线程池+Nonblock I/O+Multiplexing（select/poll，以及Linux上特有的epoll）。

1 2 3 4 5 6 7 8

// 设置一个文件描述符为nonblock int set_nonblocking(int fd) {     int flags;     if ((flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0)) == -1)         flags = 0;     return fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); }

几个重要的结论：

1. read总是在接收缓冲区有数据时立即返回，而不是等到给定的read buffer填满时返回。

只有当receive buffer为空时，blocking模式才会等待，而nonblock模式下会立即返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

2. blocking的write只有在缓冲区足以放下整个buffer时才返回（与blocking read并不相同）

nonblock write则是返回能够放下的字节数，之后调用则返回-1（errno = EAGAIN或EWOULDBLOCK）

对于blocking的write有个特例：当write正阻塞等待时对面关闭了socket，则write则会立即将剩余缓冲区填满并返回所写的字节数，再次调用则write失败（connection reset by peer），这正是下个小节要提到的：

三. read/write对连接异常的反馈行为：

对应用程序来说，与另一进程的TCP通信其实是完全异步的过程：

1. 我并不知道对面什么时候、能否收到我的数据

2. 我不知道什么时候能够收到对面的数据

3. 我不知道什么时候通信结束（主动退出或是异常退出、机器故障、网络故障等等）

对于1和2，采用write() -> read() -> write() -> read() ->...的序列，通过blocking read或者nonblock read+轮询的方式，应用程序基于可以保证正确的处理流程。

对于3，kernel将这些事件的“通知”通过read/write的结果返回给应用层。

 

假设A机器上的一个进程a正在和B机器上的进程b通信：某一时刻a正阻塞在socket的read调用上（或者在nonblock下轮询socket）

当b进程终止时，无论应用程序是否显式关闭了socket（OS会负责在进程结束时关闭所有的文件描述符，对于socket，则会发送一个FIN包到对面）。

”同步通知“：进程a对已经收到FIN的socket调用read，如果已经读完了receive buffer的剩余字节，则会返回EOF:0

”异步通知“：如果进程a正阻塞在read调用上（前面已经提到，此时receive buffer一定为空，因为read在receive buffer有内容时就会返回），则read调用立即返回EOF，进程a被唤醒。

socket在收到FIN后，虽然调用read会返回EOF，但进程a依然可以其调用write，因为根据TCP协议，收到对方的FIN包只意味着对方不会再发送任何消息。 在一个双方正常关闭的流程中，收到FIN包的一端将剩余数据发送给对面（通过一次或多次write），然后关闭socket。

但是事情远远没有想象中简单。优雅地（gracefully)关闭一个TCP连接，不仅仅需要双方的应用程序遵守约定，中间还不能出任何差错。

假如b进程是异常终止的，发送FIN包是OS代劳的，b进程已经不复存在，当机器再次收到该socket的消息时，会回应RST（因为拥有该socket的进程已经终止）。a进程对收到RST的socket调用write时，操作系统会给a进程发送SIGPIPE，默认处理动作是终止进程，知道你的进程为什么毫无征兆地死亡了吧：）

from 《Unix Network programming, vol1》 3rd Edition：

"It is okay to write to a socket that has received a FIN, but it is an error to write to a socket that has received an RST."

通过以上的叙述，内核通过socket的read/write将双方的连接异常通知到应用层，虽然很不直观，似乎也够用。

这里说一句题外话：

不知道有没有同学会和我有一样的感慨：在写TCP/IP通信时，似乎没怎么考虑连接的终止或错误，只是在read/write错误返回时关闭socket，程序似乎也能正常运行，但某些情况下总是会出奇怪的问题。想完美处理各种错误，却发现怎么也做不对。

原因之一是：socket（或者说TCP/IP栈本身）对错误的反馈能力是有限的。

考虑这样的错误情况：

不同于b进程退出（此时OS会负责为所有打开的socket发送FIN包），当B机器的OS崩溃（注意不同于人为关机，因为关机时所有进程的退出动作依然能够得到保证）/主机断电/网络不可达时，a进程根本不会收到FIN包作为连接终止的提示。

如果a进程阻塞在read上，那么结果只能是永远的等待。

如果a进程先write然后阻塞在read，由于收不到B机器TCP/IP栈的ack，TCP会持续重传12次（时间跨度大约为9分钟），然后在阻塞的read调用上返回错误：ETIMEDOUT/EHOSTUNREACH/ENETUNREACH

假如B机器恰好在某个时候恢复和A机器的通路，并收到a某个重传的pack，因为不能识别所以会返回一个RST，此时a进程上阻塞的read调用会返回错误ECONNREST

恩，socket对这些错误还是有一定的反馈能力的，前提是在对面不可达时你依然做了一次write调用，而不是轮询或是阻塞在read上，那么总是会在重传的周期内检测出错误。如果没有那次write调用，应用层永远不会收到连接错误的通知。

write的错误最终通过read来通知应用层，有点阴差阳错？

四. 还需要做什么?

至此，我们知道了仅仅通过read/write来检测异常情况是不靠谱的，还需要一些额外的工作：

1. 使用TCP的KEEPALIVE功能？

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time
7200

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl
75

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_probes
9

以上参数的大致意思是：keepalive routine每2小时（7200秒）启动一次，发送第一个probe（探测包），如果在75秒内没有收到对方应答则重发probe，当连续9个probe没有被应答时，认为连接已断。（此时read调用应该能够返回错误，待测试）

但在我印象中keepalive不太好用，默认的时间间隔太长，又是整个TCP/IP栈的全局参数：修改会影响其他进程，Linux的下似乎可以修改per socket的keepalive参数？（希望有使用经验的人能够指点一下），但是这些方法不是portable的。

2. 进行应用层的心跳

严格的网络程序中，应用层的心跳协议是必不可少的。虽然比TCP自带的keep alive要麻烦不少（怎样正确地实现应用层的心跳，我或许会用一篇专门的文章来谈一谈），但有其最大的优点：可控。

当然，也可以简单一点，针对连接做timeout，关闭一段时间没有通信的”空闲“连接。这里可以参考一篇文章：

Muduo 网络编程示例之八：Timing wheel 踢掉空闲连接 by 陈硕

read函数只是一个通用的读文件设备的接口。是否阻塞需要由设备的属性和设定所决定。一般来说，读字 符终端、网络的socket描述字，管道文件等，这些文件的缺省read都是阻塞的方式。如果是读磁盘上的文件，一般不会是阻塞方式的。但使用锁和 fcntl设置取消文件O_NOBLOCK状态，也会产生阻塞的read效果。

怎么样以非阻塞的方式从管道中读取数据？因为我用read函数时，如果管道没有数据就会阻塞住？？？

我的代码是: 
char chBuff[32]; 
read(file_pipe[0], chBuff, 16);

如果管道没有数据我这个函数就永远不返回，请问有没有其它的方式，如果管道有数据就读取，没数据也立即返回？？

或者在open的时候，传入O_NONBLOCK参数，按非阻塞方式打开 / fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK)

在mode设置O_NONBLOCK标志

每一个TCP套接口有一个发送缓冲区，可以用SO_SNDBUF套接口选项来改变这个缓冲区的大小。当应用进程调用 write时，内核从应用进程的缓冲区中拷贝所有数据到套接口的发送缓冲区。如果套接口的发送缓冲区容不下应用程序的所有数据(或是应用进程的缓冲区大于 套接口发送缓冲区，或是套接口发送缓冲区还有其他数据)，应用进程将被挂起(睡眠)。这里假设套接口是阻塞的，这是通常的缺省设置。内核将不从write 系统调用返回，直到应用进程缓冲区中的所有数据都拷贝到套接口发送缓冲区。因此从写一个TCP套接口的write调用成功返回仅仅表示我们可以重新使用应 用进程的缓冲区。它并不告诉我们对端的 TCP或应用进程已经接收了数据。 
    TCP取套接口发送缓冲区的数据并把它发送给对端TCP，其过程基于TCP数据传输的所有规则。对端TCP必须确认收到的数据，只有收到对端的ACK，本端TCP才能删除套接口发送缓冲区中已经确认的数据。TCP必须保留数据拷贝直到对端确认为止。

1 输入操作: read、readv、recv、recvfrom、recvmsg

如果某个进程对一个阻塞的TCP套接口调用这些输入函数之一，而且该套接口的接收缓冲区中没有数据可读，该进程将被投入睡眠，直到到达一些数据。既然 TCP是字节流协议，该进程的唤醒就是只要到达一些数据：这些数据既可能是单个字节，也可以是一个完整的TCP分节中的数据。如果想等到某个固定数目的数 据可读为止，可以调用readn函数，或者指定MSG_WAITALL标志。

既然UDP是数据报协议，如果一个阻塞的UDP套接口的接收缓冲区为空，对它调用输入函数的进程将被投入睡眠，直到到达一个UDP数据报。

对于非阻塞的套接口，如果输入操作不能被满足（对于TCP套接口即至少有一个字节的数据可读，对于UDP套接口即有一个完整的数据报可读），相应调用将立即返回一个EWOULDBLOCK错误。

2 输出操作：write、writev、send、sendto、sendmsg

对于一个TCP套接口，内核将从应用进程的缓冲区到该套接口的发送缓冲区拷贝数据。对于阻塞的套接口，如果其发送缓冲区中没有空间，进程将被投入睡眠，直到有空间为止。

对于一个非阻塞的TCP套接口，如果其发送缓冲区中根本没有空间，输出函数调用将立即返回一个EWOULDBLOCK错误。如果其发送缓冲区中有一些空间，返回值将是内核能够拷贝到该缓冲区中的字节数。这个字节数也称为不足计数(short count)

UDP套接口不才能在真正的发送缓冲区。内核只是拷贝应用进程数据并把它沿协议栈向下传送，渐次冠以UDP头部和IP头部。因此对一个阻塞的UDP套接口，输出函数调用将不会因为与TCP套接口一样的原因而阻塞，不过有可能会因其他的原因而阻塞